JP2014171322A - 回転機の回転位置検出装置及び回転機の回転位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転方向が変化した場合に誤った補正が行われることを回避できる回転機の回転位置検出装置を提供する。
【解決手段】マイコンは、モータジェネレータの検出回転角について、所定の基準期間に亘る平均移動量ＰＨａｖを算出し、前回の制御周期での検出回転角と平均移動量ＰＨａｖとを用いて今回検出される回転角の予測値Phase＿est（Ｔｎ）を演算すると、検出回転角と予測値との偏差ΔＰｈｎを演算する。Ｒ／Ｄコンバータは、検出回転角が０°になるとＮＭ信号を出力し、マイコンは、ＮＭ信号が出力された時点の回転数が演算禁止回転数以上であれば補正を行い、演算禁止回転数未満であれば補正を行わない。ＮＭ信号が出力されておらず且つ回転方向が前回と同一であれば、制御用角度演算に使用する補正値に前回の制御周期で得られた偏差ΔＰｈn-1を用い、ＮＭ信号が出力されておらず且つ回転方向が前回と異なれば補正値をΔＰｈｍ＝０ゼロに設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角検出手段により検出された回転角に基づいて、多相回転機の回転位置を検出する回転位置検出装置及び回転位置検出方法に関する。

レゾルバのような回転角検出手段は、例えばモータ等の回転機の回転位置を検出して、アナログの位置検出信号を出力する。そして、Ｒ／Ｄコンバータによりアナログ信号をデジタルデータに変換して、モータを駆動制御する制御回路に入力する。しかし、レゾルバの位置検出信号には誤差が含まれているため、その誤差を除去する技術が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

特許４０５９０９４号公報 特開２０１２−１０５５１５号公報 ここで、特許文献１に開示されている技術をベースとして、以下のような誤差除去方法を想定する。図８に示すフローチャートは、例えば１回転周期内で１６回（３６０°／１６＝２２．５°）実行される。ステップＳ１〜Ｓ３は、特許文献１の図４におけるステップＳ１０，Ｓ１４，Ｓ１６と同様の処理である。続くステップＳ４において、Ｒ／Ｄコンバータが例えば回転角０°毎に出力するＮＭ（ノースマーカ）信号を検出したか否かを判断し、検出しなければ（ＮＯ）、補正用の偏差ΔＰｈを前回の制御周期において得られた偏差ΔＰｈn-1に設定し（Ｓ１１）、ステップＳ８に移行する。

また、ステップＳ４においてＮＭ信号を検出すると（ＹＥＳ）、平均移動量ＰＨａｖを算出する（Ｓ５，特許文献１のステップＳ１２相当）。それから、その時点のモータの回転数が演算禁止回転数未満か否かを判断する（Ｓ６）。回転数が演算禁止回転数以上であれば（ＮＯ）、制御用角度演算を「許可」に設定してから（Ｓ１０）ステップＳ８に移行する。ステップＳ８において、制御用角度演算が「許可」であれば（ＹＥＳ）、制御用角度θを、ステップＳ１で取得したセンサ値Phase（Ｔｎ）より、偏差ΔＰｈを減じて求める（Ｓ９）。

ステップＳ６において、モータの回転数が演算禁止回転数未満であれば（ＹＥＳ）ステップＳ９における制御用角度演算を禁止し、補正用の偏差ΔＰｈをゼロクリアする（Ｓ７）。ここで、「演算禁止回転数」とは、例えば８極対モータで数１００ｒｐｍ程度に設定される。これは、回転数が低い領域ではレゾルバの誤差が大きくなることと、このフローを実行する制御回路（マイクロコンピュータ）の演算がオーバーフローすることを回避するためである。

図９は、ステップＳ９における制御用角度θの演算イメージを示しており、前回の制御周期において得られた偏差ΔＰｈn-1を用いて、今回の制御周期における制御用角度θを求めている。また、図１０に示すタイミングチャートでは、（ａ）に示す演算許可回転数に、チャタリングを防止するためヒステリシス特性を持たせている。すなわち、一回転方向において禁止になった後、逆回転方向で許可に復帰するまでの回転数の絶対値がより大きくなるように設定されている。また、（ｄ），（ｅ）における偏差ΔＰｈには同じ回転周期で得られたものに同じ番号を示しているが、実際は１回転周期中に各値が（０〜１５）の１６回得られている。

ところで、上記のような処理手順において、図１１に示すようにモータの回転方向が反転した場合を考える。すなわち、最近のＮＭ信号検出時の回転数は演算禁止回転数を超えていたが、その後に回転数が演算禁止回転数未満となり、次にＮＭ信号を検出する以前に回転方向が反転した場合である。すると、図１１（ｂ）〜（ｅ）に示すように、制御用角度演算は「許可」のままであり、回転方向が変化する以前と以後とで使用される偏差ΔＰｈは、何れもΔＰｈn-1であり変化しない。

この場合、図１２に示すように、回転方向が変化したにもかかわらず、制御用角度演算に使用される偏差ΔＰｈが以前の回転方向のままであるから、角度θの真値より偏差がより大きくなるように誤った補正が行われることになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの回転方向が変化した場合に誤った補正が行われることを回避できる回転機の回転位置検出装置及び回転機の回転位置検出方法を提供することにある。

請求項１記載の回転機の回転位置検出装置によれば、平均移動量算出手段は、多相回転機の検出回転角について、所定の基準期間に亘る平均移動量を算出し、偏差演算手段は、前回の制御周期での検出回転角と平均移動量とを用いて今回検出される回転角の予測値を演算すると、検出回転角と予測値との偏差を演算する。基準値信号出力手段は、検出回転角が基準値になると基準値信号を出力し、補正許可判定手段は、基準値信号が出力されると、多相回転機の回転数が下限値を下回っているか否かを判断し、下限値以上であれば補正手段による補正を許可し、下限値を下回っていれば補正を禁止する。

そして、補正値変更手段は、基準値信号が出力されておらず且つ多相回転機の回転方向が前回と同一であれば、回転角補正手段が使用する補正値に前回の制御周期で得られた偏差を用い、基準値信号が出力されておらず且つ多相回転機の回転方向が前回と異なれば補正値をゼロに設定する。したがって、回転機の回転方向が変化した際に、不適切な偏差を用いて誤った補正が行われることは回避される。

第１実施形態であり、モータジェネレータの回転方向が変化した場合の演算用偏差の変化を示すタイミングチャート 制御内容を示すフローチャート モータジェネレータの駆動システムを示す図 第２実施形態を示す図２相当図 図１相当図 第３実施形態を示す図２相当図 第４実施形態を示す図２相当図 従来技術を示す図２相当図 ステップＳ９における演算イメージを示す図 動作に問題が無い場合の図１相当図 動作に問題がある場合の図１相当図 図９相当図

（第１実施形態）
図３に示すように、モータジェネレータ１０は、３相回転機である。本実施形態では、モータジェネレータ１０として、永久磁石同期モータ（例えば埋め込み磁石同期モータ）を想定している。モータジェネレータ１０のロータには、電気的な回転角（電気角）を検出するためのレゾルバ１２（回転角検出手段）が設けられている。詳しくは、レゾルバ１２は、モータジェネレータ１０のロータと機械的に連結されたロータ部と、複数のコイル巻線を内蔵したステータ部とを備えて構成され、モータジェネレータ１０のロータの回転角に応じてｓｉｎ及びｃｏｓの電気信号（レゾルバ信号）を出力するように構成されている。

モータジェネレータ１０は、システムメインリレー１４及びインバータＩＶ等を介して高電圧バッテリ１６に接続されている。インバータＩＶは、パワー素子としての高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐ（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ）及び低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎの直列接続体が３つ並列接続されて構成されている。そして、これら高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐ及び低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎの接続点が、モータジェネレータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。

これら高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐ及び低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎは、いずれも電圧制御形のスイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。なお、上記高電位側，低電位側のスイッチング素子Ｓｊｐ，Ｓｊｎのそれぞれの入出力端子間（コレクタ及びエミッタ間）には、高電位側，低電位側ののフリーホイールダイオードＦＤｐ，ＦＤｎのカソード及びアノードが接続されている。

上記制御システムには、モータジェネレータ１０のＶ，Ｗ相を流れる電流ｉｖ，ｉｗを検出する電流センサ１８，２０及びインバータＩＶの入力電圧を検出する電圧センサ２２も備えられている。上記各種センサの検出値は、図示しないインターフェースを介して低圧システムを構成する制御装置２４に取り込まれる。制御装置２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等からなるマイコン２４ａ（平均移動量算出手段，偏差演算手段，回転角補正手段，補正許可判定手段，補正値変更手段）と、レゾルバデジタルコンバータ（Ｒ／Ｄコンバータ）２４ｂとを備え、制御対象としてのモータジェネレータ１０を制御すべく、上記インバータＩＶを操作する。

詳しくは、制御装置２４は、モータジェネレータ１０の生成トルクを指令トルクに制御すべく、上記各種センサの検出値等に基づく周知の正弦波ＰＷＭ制御や矩形波制御等によって、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、及びＷ相のそれぞれについての高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐを操作する操作信号ｇｊｐと、低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎを操作する操作信号ｇｊｎとを生成する。なお、制御装置２４は、電流センサ１８，２０の検出値に基づき、Ｕ相を流れる電流ｉｕの算出処理を行っている。また、高電位側のスイッチング素子Ｓｊｐについての操作信号ｇｊｐと、低電位側のスイッチング素子Ｓｊｎについての操作信号ｇｊｎとは、交互にオン操作指令となる相補信号である。

上記Ｒ／Ｄコンバータ２４ｂは、アナログ信号としての上記レゾルバ信号をデジタル信号に変換してロータの回転角を検出する機能を有している。また、Ｒ／Ｄコンバータ２４ｂは、回転角の検出値θが規定値（例えば０°）に到達したタイミングで、パルス状のＮＭ信号（基準値信号）を出力する機能も有している（基準値信号出力手段）。なお、ＮＭ信号の出力周期は、モータジェネレータ１０の１電気角の回転周期（３６０°）と同じになる。

レゾルバ１２による回転角の検出値θには、モータジェネレータ１０の１回転周期の「１／Ｎ」（Ｎ：正の整数）の周期を有する正弦波状の誤差が含まれている。この誤差は、例えばモータジェネレータ１０にレゾルバ１２のロータ部の取付ける際に、両者の回転中心軸線がずれたり、Ｒ／Ｄコンバータ２４ｂ等のレゾルバ信号が制御装置２４において処理されることに起因するレゾルバ信号の位相遅れが発生すること等に基づく。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すフローチャートは、図８に示すフローチャートのステップＳ４，Ｓ８，Ｓ１１の間に、ステップＳ１２，Ｓ１３を追加したものである。すなわち、ステップＳ４においてＮＭ信号を検出しなければ（ＮＯ）、現在のモータジェネレータ１０の回転方向が、前回の方向と異なるか否かを判断する（Ｓ１２）。現在の回転方向が前回の方向と同じであれば（ＮＯ）ステップＳ１１を実行し、前回の方向と異なれば（ＹＥＳ）、偏差ΔＰｈにΔＰｈｍ＝０を代入してステップＳ８に移行する。

これにより図１１相当図である図１に示すように、モータジェネレータ１０の回転数が低下して演算禁止回転数（下限値）未満となり、ＮＭ信号を検出する以前に回転方向が反転すると、制御用角度演算に使用する偏差ΔＰｈはΔＰｈｍ（＝０）となる。尚、ステップＳ３は偏差演算手段，ステップＳ５は平均移動量算出手段，ステップＳ６は補正許可判定手段，ステップＳ９は回転角補正手段，ステップＳ１１〜Ｓ１３は補正値変更手段にそれぞれ対応する。

以上のように本実施形態によれば、マイコン２４ａは、モータジェネレータ１０の検出回転角について、所定の基準期間に亘る平均移動量ＰＨａｖを算出し、前回の制御周期での検出回転角と平均移動量ＰＨａｖとを用いて今回検出される回転角の予測値Phase＿est（Ｔｎ）を演算すると、検出回転角と予測値との偏差ΔＰｈｎを演算する。Ｒ／Ｄコンバータ２４ｂは、検出回転角が０°になるとＮＭ信号を出力し、マイコン２４ａは、ＮＭ信号が出力されると、モータジェネレータ１０の回転数が演算禁止回転数を下回っているか否かを判断し、演算禁止回転数以上であれば補正を行い、演算禁止回転数未満であれば補正を行わないようにする。

そして、マイコン２４ａは、ＮＭ信号が出力されておらず且つモータジェネレータ１０の回転方向が前回と同一であれば、制御用角度演算に使用する補正値に前回の制御周期で得られた偏差ΔＰｈn-1を用い、ＮＭ信号が出力されておらず且つモータジェネレータ１０の回転方向が前回と異なれば補正値をΔＰｈｍ＝０ゼロに設定する。したがって、モータジェネレータ１０の回転方向が変化した際に、不適切な偏差を用いて誤った補正が行われることを回避できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図４に示すフローチャートでは、ステップＳ９の後にステップＳ１４，Ｓ１５が追加されている。すなわち、図５（ｂ）に示すように、ＮＭ信号検出時の回転方向が前回検出時の方向と異なる場合は（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ３で得られた，若しくはステップＳ７でクリアされた偏差ΔＰｈを、ΔＰｈｍとして記憶する（Ｓ１５）。

そして、ステップＳ１３’において更新される偏差ΔＰｈは、前回に回転方向が変化した後、ＮＭ信号を少なくとも１回以上検出したときに得られて記憶された偏差ΔＰｈｍ（例：図１０のタイミングチャートに示されたΔＰｈ３）となる。また、ステップＳ１４，Ｓ１５の処理は、ステップＳ１１，Ｓ１３’を実行した場合には実行する必要が無いので、適宜フラグを設定するなどして実行を回避する。尚、ステップＳ１４及びＳ１５が補正値変更手段に対応する。

以上のように第２実施形態によれば、マイコン２４ａは、ＮＭ信号が出力された際のモータジェネレータ１０の回転方向が、前回にＮＭ信号が出力された際の回転方向と異なる場合は、今回の制御周期で得られた偏差ΔＰｈをΔＰｈｍとして記憶する。そして、ＮＭ信号が出力されておらず、且つモータジェネレータ１０の回転方向が前回と異なれば、補正値に、過去の制御周期で得られて記憶されていた偏差ΔＰｈｍを用いるので、回転方向が変化する前に得られた偏差を用いて誤った補正が行われることを回避できる。

（第３実施形態）
図６に示すように、第３実施形態では、ステップＳ１５に代えてステップＳ１６，Ｓ１７が配置されている。すなわち、ステップＳ１４で「ＹＥＳ」と判断すると、既に得られている偏差を用いて、平均値ΔＰｈａvｅを次式により求める（Ｓ１６）。
ΔＰｈａvｅ＝（ΔＰｈn＋ΔＰｈm-1）／２
つまり、今回の制御周期で得られた偏差ΔＰｈと、前回にステップＳ１７が実行された際に得られて記憶されていた偏差ΔＰｈm-1との平均を求める。そして、続くステップＳ１７において、ΔＰｈｍ＝ΔＰｈａvｅに設定する。尚、ステップＳ１６及びＳ１７が補正値変更手段に対応する。

以上のように第３実施形態によれば、マイコン２４ａは、ＮＭ信号が出力されておらず、且つモータジェネレータ１０の回転方向が前回と異なれば、補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差の平均値ΔＰｈａvｅを用いるので、回転角の補正をより滑らかに行うことができる。

（第４実施形態）
図７に示すように、第４実施形態では、ステップＳ１６に代えてステップＳ１８（補正値変更手段）が配置されている。すなわち、ステップＳ１４で「ＹＥＳ」と判断すると、既に得られている偏差を用いて、移動平均値ΔＰｈａvｅを次式のように求める。
ΔＰｈａvｅ＝（ΔＰｈ＋ΔＰｈm-1＋…ΔＰｈm-k）／（ｋ＋１）
そして、続くステップＳ１７において、ΔＰｈｍを移動平均値ΔＰｈａvｅに設定する。

以上のように第４実施形態によれば、マイコン２４ａは、ＮＭ信号が出力されておらず、且つモータジェネレータ１０の回転方向が前回と異なれば、補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差についての移動平均値ΔＰｈａvｅを用いるので、回転角の補正を一層滑らかに行うことができる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
演算許可回転数にヒステリシスを持たせるのは、チャタリングを回避する必要がある場合に行えば良い。
回転機は、モータ若しくはジェネレータでも良い。

図面中、１０はモータジェネレータ（多相回転機）、１２はレゾルバ（回転角検出手段）、２４ａはマイコン（平均移動量算出手段，偏差演算手段，回転角補正手段，補正許可判定手段，補正値変更手段）、２４ｂはＲ／Ｄコンバータ（基準値信号出力手段）を示す。

Claims (8)

1. 多相回転機（１０）の回転角を検出する回転角検出手段（１２）と、
   前記回転角（検出回転角と称す）について、所定の基準期間に亘る平均移動量を算出する平均移動量算出手段（２４ａ）と、
   前回の制御周期での検出回転角と、前記平均移動量とを用いて今回検出される回転角の予測値を演算し、前記検出回転角と前記予測値との偏差を演算する偏差演算手段（２４ａ）と、
   前記検出回転角を補正値により補正する回転角補正手段（２４ａ）と、
   前記検出回転角が基準値になると基準値信号を出力する基準値信号出力手段（２４ｂ）と、
   前記基準値信号が出力されると、前記多相回転機の回転数が下限値を下回っているか否かを判断し、前記下限値以上であれば前記補正手段による補正を許可し、前記下限値を下回っていれば前記補正手段による補正を禁止する補正許可判定手段（２４ａ）と、
   前記基準値信号が出力されておらず、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と同一であれば、前記補正値に前回の制御周期で得られた偏差を用い、
   前記基準値信号が出力されておらず、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば前記補正値をゼロに設定する補正値変更手段（２４ａ）とを備えることを特徴とする回転機の回転位置検出装置。
2. 前記補正値変更手段は、前記基準値信号が出力されておらず、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去の制御周期で得られた偏差を用いることを特徴とする請求項１記載の回転機の回転位置検出装置。
3. 前記補正値変更手段は、前記基準値信号が出力されておらず、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差の平均値を用いることを特徴とする請求項１記載の回転機の回転位置検出装置。
4. 前記補正値変更手段は、前記基準値信号が出力されておらず、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差についての移動平均値を用いることを特徴とする請求項３記載の回転機の回転位置検出装置。
5. 多相回転機の回転角を検出し、
   前記回転角（検出回転角と称す）について、所定の基準期間に亘る平均移動量を算出し、
   前回の制御周期での検出回転角と、前記平均移動量とを用いて今回検出される回転角の予測値を演算し、前記検出回転角と前記予測値との偏差を演算し、
   前記検出回転角が基準値になると、前記多相回転機の回転数が下限値を下回っているか否かを判断し、前記下限値以上であれば前記検出回転角を補正値により補正し、前記下限値を下回っていれば前記補正を禁止し、
   前記検出回転角が前記基準値ではなく、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と同一であれば、前記補正値に前回の制御周期で得られた偏差を用いると共に、前記検出回転角が前記基準値ではなく、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば前記補正値をゼロに設定することを特徴とする回転機の回転位置検出方法。
6. 前記検出回転角が基準値ではなく、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去の制御周期で得られた偏差を用いることを特徴とする請求項５記載の回転機の回転位置検出方法。
7. 前記検出回転角が基準値ではなく、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差の平均値を用いることを特徴とする請求項５記載の回転機の回転位置検出方法。
8. 前記検出回転角が基準値ではなく、且つ前記多相回転機の回転方向が前回と異なれば、前記補正値に、過去複数回の制御周期で得られた偏差についての移動平均値を用いることを特徴とする請求項７記載の回転機の回転位置検出方法。

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